光學鎖定光子回波裝置及其方法

2023-06-13 07:17:21

專利名稱：光學鎖定光子回波裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種光子回波裝置及其方法，特別涉及一種包括具有3個能級的非線性光介質和生成在光介質的能級之間共振的至少5個光脈衝的光脈衝發生部的光學鎖定光子回波裝置及其方法。
背景技術：
從需要較短存儲時間的量子電腦到需要較長存儲時間的長距離量子密碼等量子通訊，在量子信息的進行過程中量子信息存儲是必要的組成因素。與所有經典光存儲器一樣，量子存儲器的性能也取決於寫入速度、寬帶及存儲時間。雖然已經成功證明利用靜止光的慢速光量子存儲器能存儲量子數據，但是存在有限的存儲時間和只能使用一個量子信息的局限性，這成為量子通訊的絆腳石(參考「Nature」第 409卷(2001年)第490-493頁中由C. Liu撰寫的內容)。另一方面，最近光子回波由於有著高速處理、寬帶及長時間存儲的特性，所以為了將光子回波應用到量子存儲器上，一直做著集中性研究(參考「Phys. Rev. Lett. 」第100卷 (2008 年)第 023601 頁由 G. Hetet 撰寫的內容；「Nature」第 461 卷(2009 年)第 241-245 頁由B. Hosseini撰寫的內容)。並且，已實驗成功，光子回波利用摻雜稀土元素的光介質直接展示光子信息存儲的技術(參考「Nature」第456卷(2008年)第773-777頁由H. deRiedmatten撰寫的內容)。要想作為光存儲器使用，雙脈衝光子回波的回波效率性應高於50%。但是雙脈衝光子回波，其存儲時間受限於相移時間，在摻雜稀土元素的光介質中大約為100μ S。三脈衝光子回波的存儲時間受限於光粒子數轉移時間，並與光相移時間相似。與雙脈衝光子回波不同，三脈衝光子回波由於光粒子數轉移引起的相干損失，存儲信息的 50%以上無法恢復。最近，為了克服目前的上述光子回波的問題，提出了不僅僅提高恢復效率性，還可以延長存儲時間的修改方法。有關存儲時間的修改方法中只有一個方法取得了成功，即光頻梳(Atomic Frequency Comb, AFC)方法。(參考 「Phys. Rev. Α"第 79 冊(2OO9 年)第 052329頁由Μ. Afzelius撰寫的內容)。但是AFC的問題在於為了形成準確的光譜光柵 (Spectral Grating)需要連續入射數百個由較弱的兩個光脈衝形成的光脈衝，所以需要較長的準備時間。光學鎖定回波方法中，存儲時間是將光相移時間延長為自旋相移時間。但是在非均勻自旋介質中，自旋相移時間可能變短，這與非均勻自旋相位的分布幅度呈反比(參考 "arXiv"0911. 3869(2009 年)由 B. S. Ham 撰寫的內容，『『Opt. Commun. 」第 247 冊(2005 年) 第393-403頁由M. Nilsson撰寫的內容)。並且，鎖相光子回波或者是共振的喇曼回波，在存儲時間內發生光相干損失(參考"NaturePhoton. 」第 3 冊(2009 年)第 518-522 頁由 B. S. Ham 撰寫的內容)。
並且，利用梯度回波(Gradient Echo)修改的雙脈衝光子回波方法中，由於利用外部施加的直流電壓或者磁場變化度實現相位反轉，所以能消除用於一般光子回波中相位反轉光脈衝引起的自發放出噪聲(Noise)(參考「Wiys. Rev. Lett」第100冊(2008年)第 023601頁由S. Hetet撰寫的內容)。但是存儲時間仍受限於光相移時間，此時間比千分之
一秒還要短。

發明內容
本發明是以解決上述的技術課題為目的，提供了一種光學鎖定光子回波裝置及其方法，可以解決受限的回波效率性問題，克服受限於自旋相移時間的現有存儲時間的制約。同時，與現有的鎖相光子回波形式不同，本發明不僅鎖定了光粒子數轉移，而且各自原子相位演化(phase evolution)也停止了。因此本發明的目的在於，延長存儲時間既要具有50%以上的恢復效率性，還要延長至最高自旋粒子數轉移時間。具體說明的話，自旋粒子數轉移時間與現有所有光子回波存儲時間的極限值即自旋相移時間相比長几萬倍以上。並且，本發明的目的又在於，在存儲時間內不發生鎖相光子回波或者共振的喇曼回波一樣的光相干損失，而且與鎖相光子回波不同，憑藉三脈衝光子回波固有的光學鎖定特性，即使在自旋非均勻增寬(spininhomogeneous broadening)引起的自旋相移中，存儲時間也不發生變化。本發明一實施例的光學鎖定光子回波裝置包括非線性光介質，具有三個能級I 1 >，|2>，I 3 >，從光脈衝發生部接收光脈衝輸出滿足相位匹配條件的輸出光E ；及光脈衝發生部，生成在上述光介質的上述能級之間共振的至少5個光脈衝。並且上述光脈衝發生部的優選實施例包括輸出第一雷射的第一光源；輸出第二雷射的第二光源；為了生成上述至少5個光脈衝中的一部分光脈衝，將上述第一光源輸出的第一雷射調製成連續光脈衝的第一光調製模塊；為了生成上述至少5個光脈衝中的除上述第一光調製模塊生成的光脈衝之外的光脈衝，將上述第二光源輸出的第二雷射調製成連續光脈衝的第二光調製模塊；為使上述第一調製模塊及上述第二調製模塊的光脈衝同步而生成同步信號的調製模塊。同時，特徵在於，上述至少5個光脈衝為第一光脈衝群，包含在上述光介質的上述能級|1 >和|3 >之間共振的入射光、寫入光、讀取光中的至少一種以上；及第二光脈衝群，包括在上述光介質的上述能級|2>和I 3 >之間共振的第一調節光Bl及第二調節光 B2。並且，優選地，上述至少5個光脈衝通過光纖、表面等離子體或者自由空間入射到上述光介質。其特徵在於，上述第一光脈衝群和上述第二光脈衝群的波長或者極性互不同。具體地，優選為，上述三個能級中，上述能級I 1 >和|2 >是基態，上述能級|3 > 是可進行光轉移的激發狀態。優選地，上述入射光D寫入光W的時間間隔應比光相移時間短，並且時間間隔為不失去由損失帶來的相干性的時間間隔。同時，上述第一調節光Bl及上述第二調節光B2的時間間隔優選為比自旋粒子數轉移時間要短。
並且，其特徵在於，上述第一調節光Bl及上述第二調節光B2的各自的脈衝面積為 π ,3 31 ,其禾口ii足 4 31 ·本發明優選的第一實施例的光學鎖定光子回波方法包括入射光D入射到上述光介質的步驟；寫入光W入射到上述光介質的步驟；相差一定時間的的入射光D和和寫入光W 結合形成光譜光柵的步驟；第一調節光Bl入射到上述光介質的步驟；第二調節光B2入射到上述光介質的步驟；讀取光R入射到上述光介質的步驟；存儲在上述光譜光柵上的上述入射光D的信息被讀取光W而再生的步驟；及根據與上述光介質之間的相互作用，輸出上述入射光D、寫入光W及讀取光R符合相位匹配條件的輸出光E的步驟。根據本發明公開的光學鎖定光子回波裝置及其方法，可以實現解決受限的回波效率性的問題，可以克服受限於自旋相移時間的現有的存儲時間制約。同時，與現有的鎖相光子回波形式不同，本發明既能鎖定光粒子數轉移，又能停止各自原子的相位演化，因此本發明中存儲時間的延長，具有50%以上的恢復效率性，並且可以延長至最高自旋粒子數轉移時間。並且，按照本發明，在存儲時間內不發生鎖相光子回波或者共振的喇曼回波一樣的光相干損失，並且，與鎖相光子回波不同，憑藉三脈衝光子回波固有的光學鎖定特性，即使在自旋非均勻增寬引起的自旋相移中，存儲時間也不發生變化。


圖1 (a)為本發明一實施例的光學鎖定光子回波裝置的結構1(b)為與光脈衝相互作用的光介質的能級；
圖2為本發明一實施例的光學鎖定光子回波裝置；
圖3為本發明為進行光學鎖定光子回波的光脈衝順序；圖4為本發明光學鎖定光子回波的流程圖5為傳統的雙脈衝光子回波的仿真結果；圖6為三脈衝光子回波的仿真結果；
圖7為比較三脈衝光子回波和光學鎖定光子回波的仿真結果；圖8為說明圖7的(b)的光學鎖定的具體仿真結果；
圖9為本發明光學鎖定光子回波的實驗結果。
標號說明
10光介質20 光脈衝發生部21第一光調製模塊22 第二光調製模塊23第一光源24 第二光源25調製模塊fl第一光脈衝群f2 第二光脈衝群D 入射光W 寫入光R 讀取光Bl 第一調節光B2第二調節光E 輸出光TD入射光D的到達時間
Tff寫入光W的到達時間
TR 讀取光R的到達時間TBl 第一調節光Bl的到達時間TB2 第二調節光B2的到達時間I 1 > 第一能級I 2 > 第二能級|3>:第三能級
具體實施例方式下面，結合附圖詳細說明本發明一實施例的光學鎖定光子回波裝置及其方法。本發明下述的實施例只用於具體化本發明，並非限制或者限定本發明的權利範圍。從本發明的具體說明及實施例中，本領域普通技術人員容易推導出來的視為屬於本發明的權利範圍之內。首先，圖1 (a)為本發明第一實施例的光學鎖定光子回波裝置的結構圖，圖1 (b)為與光脈衝相互作用的光介質的能級。如圖1(a)所示，本發明一實施例的光學鎖定光子回波裝置包括光介質10 ；和生成在上述光介質10的能級之間共振的至少5個光脈衝的光脈衝發生部20。上述光介質10具有非線性光學特性，具有三個能級I 1 >、|2 >、|3 >。圖1 (b)表示與上述至少5個光脈衝相互作用的光介質10的能級。上述3個能級中，|1 >和|2 >是基態，I 1 >的能級是比I 2 >的能級稍微高或者低。並且，|3>是處於激發狀態，可以從各自的基態能級進行光轉移。以下，詳細說明圖1。上述至少5個光脈衝為第一光脈衝群Π，包括一個或者多個在上述光介質10的上述能級|1 >和|3 >之間共振的入射光D、寫入光W及讀取光R的光脈衝；及第二光脈衝群f2，包括在上述光介質10的上述能級|2>和I 3 >之間共振的第一調節光B 1及第二調節光B2的光脈衝。上述至少5個光脈衝是通過光纖、表面等離子體或者自由空間入射到上述光介質10中。S卩，上述第一光脈衝群fl和上述第二光脈衝群f2使用具有不同波長或不同極性的光。上述第一光脈衝群f 1為入射光D、寫入光W及讀取光R，上述第二光脈衝群f2為用於將因上述第一光脈衝群Π的脈衝而處於激發態的原子轉移到基態能級I 2 >而使用的第一調節光Bl和第二調節光Β2。並且，上述入射光D可以是一個或者多個，第一調節光Bl和第二調節光Β2的時間間隔須短於自旋粒子數轉移時間。入射光D和寫入光W的時間間隔應比光相移時間短，並且時間間隔為不失去由損失帶來的相干性的時間間隔。並且，輸出光E滿足上述至少5個光脈衝的相位匹配條件(PhaseMatching Condition)。相位匹配條件是指滿足公式1和公式2的條件。公式1 KE+KD = Kff+KE公式2 fE+fD = fff+fE其中，Ki表示光脈衝i的傳播矢量(Propagation Vector)，fi表示光脈衝i的頻率。圖2為本發明一實施例的光學鎖定光子回波裝置。如圖2所示的光學鎖定光子回波裝置的特徵在於，上述光脈衝發生部20包括輸出雷射的第一光源21 ；輸出雷射的第二光源22 ；為了生成上述至少5個光脈衝中的一部分光脈衝，將上述第一光源21輸出的雷射調製成連續光脈衝的第一光調製模塊23 ；為了生成上述至少5個光脈衝中的除上述第一光調製模塊23生成的光脈衝之外的光脈衝，將上述第二光源22輸出的雷射調製成連續光脈衝的第二光調製模塊M ；和為使上述第一調製模塊 23及上述第二調製模塊M的光脈衝同步而生成同步信號的調製模塊25。圖3表示本發明為進行光學鎖定光子回波的光脈衝順序。S卩，以入射光D、寫入光W、第一調節光Bi、第二調節光B2，然後是讀取光R的順序向上述光介質10入射光脈衝，最後輸出輸出光E。圖3中Ti是指用i表示的光脈衝的到達時間。為了比圖3更詳細地說明，圖4中表示了本發明光學鎖定光子回波的流程圖。S卩，如圖4所示，根據以下順序可以實現光學鎖定光子回波。也就是說，本發明的光學鎖定光子回波的流程包括入射光D入射到上述光介質 10的步驟SllO ；寫入光W入射到上述光介質10的步驟S115 ；相差一定時間的入射光D和寫入光W結合形成光譜光柵的步驟S120 ；第一調節光Bl入射到上述光介質10的步驟S125 ； 第二調節光B2入射到上述光介質10的步驟S130 ；讀取光R入射到上述光介質10的步驟 S135 ；存儲在上述光譜光柵中的上述入射光D的信息被讀取光W再生的步驟S140 ；及根據與上述光介質之間的相互作用，輸出入射光D、寫入光W及讀取光R滿足相位匹配條件的輸出光E的步驟145。上述S120步驟中，光譜光柵表示入射光D的信息存儲。但是表示存儲在相應原子的光頻率帶域中。並且，S145步驟中，輸出光E是根據四波混頻進行決定。圖5為傳統的雙脈衝電子回波的仿真結果。首先，圖5 (a)表示在能級I 1>和I 3 >中共振的入射光D和寫入光W的脈衝順序。 與本發明的光學鎖定光子回波不同，寫入光W需要完整的重新定相(r印hasing)，所以需要 JI的脈衝面積。圖5(b)表示根據時間的個別原子的相移，由入射光D引起的相干通過寫入光W在t = 55μ s處得到恢復，該恢復的光脈衝就是光子回波。圖5(C)表示出現在圖5(b)的個別原子上的相位相干之和。圖5(d)表示相對共振的雷射出現失調(detuning)的一些原子隨時間流逝而出現的相位演化。該現象是因光介質非均勻而引起的，在光譜上根據非均勻增寬(inhomogeneous broadening)決定非共振值。其中，原子的非均勻增寬條件構成基於重新定相的光子回波的必要因素。圖6為三脈衝電子回波的仿真結果。圖5中的寫入光W在圖6中對半兒分離成兩個脈衝。這是因為在三脈衝光子回波中不是雙脈衝核心原理的重新定相，而是為了根據基態和激發狀態的粒子數反轉 (population inversion)製作光譜光柵。如上述說明，入射光D的信息就存儲在該光譜光柵中。但是最終結果除了時間延遲之外與圖5相同。結果，三脈衝光子回波的目的在於存儲時間延遲，這是由於粒子數轉移時間比相移時間要長。但是不幸的是根據此粒子數轉移的初期相干會減少，最終發生所有轉移時由於超過50%的相干流失，因此三脈衝光子回波的量子存儲應用失去意義。圖7為比較三脈衝電子回波和光學鎖定光子回波的仿真結果。如在圖1中所進行的討論，圖7(b)中增加第一調節光B 1和第二調節光B2可以實現光學鎖定光子回波方式。如圖7(a)中所示回波的大小根據圖1的光介質10的轉移常數減弱。但是自旋轉移常數比光轉移常數穩定，所以可以知道圖7(b)的回波大小明顯比圖 7(a)要大。0 7(c)和圖7(d)各自指圖7(a)和圖7(b)的個別原子。0 7(e)和圖7(f)各自表示對稱原子的相移仿真。圖7(e)說明圖7(a)比圖7(b)較弱的原因，是因為個別原子的相移由於粒子數流失相位相干急劇減弱，並且相對相干迅速喪失。圖8為說明圖7的(b)的光學鎖定的具體仿真。圖8(a)表示與圖7(f)相同的對稱原子的相移仿真結果。如圖8(b)可知，相位相干Impl3(吸收absorption)在第一調節光Bl之後值掉落為0，那是因為從能級|3>到能級|2>的粒子數移動。並且，由於該粒子數移動所有的個別原子的相位演化將會終止。並且如圖8(c)可知，此相位演化終止持續到施加第二個第二調節光B2之前。最終讀取光R像在三脈衝光子回波中一樣讀取光譜光柵，在t = 50 μ S處發生回波輸出光Ε。本發明的光學鎖定光子回波中，雙量子相干Re(P 12)只在根據第一調節光B 1從激發狀態I 3 >粒子數轉移到附加的自旋狀態|2 >時發生。此種粒子數轉移誘導中的雙量子相干比一般相位匹配雙量子相干在時間上更為穩定。最終，根據入射光D和寫入光W產生的光相干是被第一調節光B 1置換為自旋相干後得到存儲，由於自旋粒子數轉移時間明顯比光粒子數轉移時間長，所以可實現長時間存儲。相反，傳統的三脈衝光子回波方式中的存儲時間則受限於光粒子數存儲時間。本發明中是將該光粒子數轉移時間置換為自旋粒子數轉移時間來克服存儲時間上的界限，其核心原理在於，考慮處於激發狀態的相干狀態下的原子的粒子數和相位，利用第一調節光Bl置換為基態，利用第二調節光B2又進行逆置換。圖8 (d)表示在uv平面上布洛赫矢量(Bloch vector)模式，根據時間進程的相干轉移在第一調節光Bl之後將會停止。在這裡重要的是，需要補正由於第一調節光Bl發生粒子數變化引起的相干原子的相位變化，為此第二調節光B2的面積需與第一調節光Bl不同，即，第一調節光Bl的面積為Οη-1) π (η為自然數)，第二調節光Β2的面積是如^! (η為自然數)，第一調節光Bl和第二調節光Β2之和需滿足如η (η為自然數)，所以第一調節光 Bl使用π脈衝、第二調節光Β2使用3 π脈衝。下面詳細說明決定第一調節光Bl和第二調節光Β2的脈衝面積的方法。—般情況下，在摻雜稀土元素的介質中，自旋粒子數轉移時間比光粒子數轉移時間長數百萬倍。其中重要的是，處於光相干的原子隨著光粒子數轉移原來的相干程度受到損壞，但是在自旋狀態下，粒子數轉移非常慢，所以實質上相干流失得到停止。為了讀取如此置換存儲的光信息，需要重新將自旋狀態下的原子移為光狀態，此時使用第二調節光Β2。 其中重要的是，由於第一調節光Bl產生的光相干的粒子數變化使全體相位改變π /2，因此為了回到原來狀態至少需要3 π/2的附加相位變化。S卩，第二調節光Β2比第一調節光Bl 需要長三倍的脈衝面積。具體說明的話，2 π意味著沒有相位變化。
圖9為本發明光學鎖定光子回波的實驗結果。如圖9(a)中可知，已證明由於增加第一調節光B 1和第二調節光B2，所以增加了光子回波的存儲時間。圖9(b)表示根據第二調節光B2的延遲時間的光子回波強度，觀測出了轉移時間(decay time)比自旋相移時間500 μ s明顯長。關於自旋相移時間是從B. S. Ham 撰寫的「Opt. Lett」第22冊(1997年)第1849-1851頁中可以看出。圖9的試驗結果表示本發明的核心原理有著較好的實驗基礎。
權利要求
1.. 一種光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，包括非線性光介質，其具有三個能級U >、|2 >、I 3 >，從光脈衝發生部接收光脈衝輸出滿足相位匹配條件的輸出光(E)；及光脈衝發生部，生成在所述光介質的所述能級之間共振的至少5個光脈衝。
2.根據權利要求1所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述光脈衝發生部包括輸出第一雷射的第一光源； 輸出第二雷射的第二光源；為了生成所述至少5個光脈衝中的一部分光脈衝，將所述第一光源的第一雷射調製為連續光脈衝的第一光調製模塊；為了生成所述至少5個光脈衝中的除所述第一光調製模塊生成的光脈衝之外的光脈衝，將所述第二光源輸出的第二雷射調製為連續光脈衝的第二光調製模塊；為使所述第一調製模塊及所述第二調製模塊的光脈衝同步而生成同步信號的調製模塊。
3.根據權利要求1或者2所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述至少5個光脈衝為第一光脈衝群，包含在所述光介質的所述能級|1 >和|3 >之間共振的入射光、寫入光、讀取光中的至少一種以上；及第二光脈衝群，包括在所述光介質的所述能級|2 >和3 >之間共振的第一調節光(Bi)及第二調節光(B2)。
4.根據權利要求3所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述第一光脈衝群和所述第二光脈衝群的波長或者極性互不相同。
5.根據權利要求3所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述至少5個光脈衝通過光纖、表面等離子體或者自由空間入射到所述光介質。
6.根據權利要求3所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述三個能級中，能級 1 >和I 2 >是基態，所述能級I 3 >是從各自的基態能進行光轉移的激發態。
7.根據權利要求6所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述入射光(D)和寫入光(W)的時間間隔比光相移時間短，並且時間間隔為不失去由損失帶來的相干性的時間間隔。
8.根據權利要求6所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述第一調節光(Bi) 及所述第二調節光(B》的時間間隔比自旋粒子數轉移時間短。
9.根據權利要求6所述的光學鎖定光子回波裝置，其特徵在於，所述第一調節光(Bi) 及所述第二調節光(B2)的各自的脈衝面積為π，3 π，其和滿足4 π。
10.一種光學鎖定光子回波方法，該方法使用光學鎖定光子回波裝置輸出滿足相位匹配條件的輸出光(E)光學鎖定，所述光學鎖定光子回波裝置包括非線性光介質，其具有三個能級|1>、|2>、I 3 >，從光脈衝發生部接收光脈衝輸出滿足相位匹配條件的輸出光(E)；及光脈衝發生部，生成在所述光介質的所述能級之間共振的一個或者多個入射光 (D)、寫入光(W)、讀取光(R)、第一調節光(Bi)及第二調節光(Β2)，其特徵在於，該方法包括入射光(D)入射到所述光介質的步驟； 寫入光(W)入射到所述光介質的步驟；相差一定時間的入射光(D)和寫入光(W)結合形成光譜光柵的步驟；第一調節光(Bi)入射到所述光介質的步驟； 第二調節光(B》入射到所述光介質的步驟； 讀取光(R)入射到所述光介質的步驟；存儲在所述光譜光柵上的所述入射光(D)的信息被讀取光(W)而再生的步驟； 及根據與所述光介質之間的相互作用，輸出入射光(D)、寫入光(W)及讀取光(R)符合相位匹配條件的輸出光(E)的步驟。
全文摘要
本發明公開了一種光子回波裝置及其方法，其目的在於解決受限的回波效率性問題，可以克服受限於自旋相移時間的現有的存儲時間制約。同時，與現有的鎖相光子回波方式不同，本發明不僅鎖定光粒子數轉移，而且還停止各自原子相位演化。因此本發明的延長的存儲時間，具有50％以上的恢復效率性，且可以延長至最高自旋粒子數轉移時間。粒子數轉移相移另外，本發明中，不像鎖相光子回波或者共振的喇曼回波一樣，在存儲時間內發生光相干損失，而且與鎖相光子回波不同，憑藉三脈衝光子回波固有的光學鎖定特性，即使在自旋非均勻增寬(spin inhomogeneous broadening)引起的自旋相移中，存儲時間也不發生變化。
文檔編號G11B7/24GK102194487SQ20101019939
公開日2011年9月21日 申請日期2010年6月10日 優先權日2010年3月12日
發明者鹹炳承 申請人:仁荷大學校產業協力團